Mango: 高效的并行超参数调优Python库

Mango简介

Mango是一个强大的Python库,专门用于为机器学习分类器寻找最优超参数。它支持在复杂的搜索空间中进行并行优化,可以处理连续、离散和分类值。

Mango Demo

Mango具有以下突出特点:

易于定义复杂的搜索空间,与scikit-learn兼容
采用先进的无梯度优化器,可处理连续/离散/分类值
模块化设计,可在本地、集群或云基础设施上调度目标函数
应用层的故障检测,提高在普通硬件上的可扩展性
在生产环境中持续测试和使用,不断添加新功能

安装

可以通过pip安装Mango:

pip install mango-optimizer

也可以从源码安装:

git clone https://github.com/ARM-software/mango.git
cd mango
pip install .

快速入门

Mango使用起来非常简单。下面是一个最小化整数输入平方函数的示例:

from mango import scheduler, Tuner

# 定义搜索空间
param_space = dict(x=range(-10,10))

# 目标函数
@scheduler.serial
def objective(x):
    return x * x

# 初始化并运行Tuner
tuner = Tuner(param_space, objective)
results = tuner.minimize()

print(f'最优参数: {results["best_params"]} 目标值: {results["best_objective"]}')
# => 最优参数: {'x': 0}  目标值: 0

超参数调优示例

下面是一个使用Mango来调优KNN分类器超参数的完整示例:

from sklearn import datasets
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.model_selection import cross_val_score

from mango import Tuner, scheduler

# KNN分类器超参数搜索空间
param_space = dict(
    n_neighbors=range(1, 50),
    algorithm=['auto', 'ball_tree', 'kd_tree', 'brute']
)

@scheduler.serial
def objective(**params):
    X, y = datasets.load_breast_cancer(return_X_y=True)
    clf = KNeighborsClassifier(**params)
    score = cross_val_score(clf, X, y, scoring='accuracy').mean()
    return score

tuner = Tuner(param_space, objective)
results = tuner.maximize()

print('最优参数:', results['best_params'])
print('最佳准确率:', results['best_objective'])

搜索空间定义

Mango的搜索空间定义与scikit-learn兼容。搜索空间通过一个字典来定义,键是参数名,值是离散选项列表、整数范围或概率分布。

一些常见的搜索空间定义示例:

整数参数

param_space = dict(x=range(-10, 11)) # -10到10
param_space = dict(x=range(0, 101, 10)) # 0到100,步长为10

分类参数

param_space = dict(color=['red', 'blue', 'green'])
param_space = dict(v=[0.2, 0.1, 0.3])
param_space = dict(max_features=['auto', 0.2, 0.3])

概率分布

from scipy.stats import uniform
from mango.domain.distribution import loguniform

param_space = dict(
    a=uniform(-1, 2),  # 在-1到1之间均匀分布
    learning_rate=loguniform(-3, 2)  # 在10^-3到10^-1之间对数均匀分布
)

调度器

Mango设计为可以利用分布式计算。目标函数可以调度在本地或集群上并行执行。Mango支持使用任何分布式计算框架(如Celery或Kubernetes)。

串行调度器

from mango import scheduler

@scheduler.serial
def objective(x):
    return x * x

并行调度器

from mango import scheduler

@scheduler.parallel(n_jobs=2)
def objective(x):
    return x * x

自定义分布式调度器

用户可以定义自己的分布策略:

from mango import scheduler

@scheduler.custom(n_jobs=4)
def objective(params_batch):
    # 在分布式框架上评估目标函数
    ...
    return results

可选配置

Mango提供了一些可选的配置参数:

domain_size: 每次迭代探索的大小
initial_random: 随机采样的次数
num_iteration: 总迭代次数
batch_size: 并行评估的批量大小
early_stopping: 自定义提前停止条件
constraint: 参数空间约束条件
initial_custom: 自定义初始评估点
scale_params: 是否对搜索空间进行缩放

可以通过配置字典修改这些选项:

conf_dict = dict(num_iteration=40, domain_size=10000, initial_random=3)
tuner = Tuner(param_dict, objective, conf_dict)

其他特性

处理运行时失败

Mango可以处理运行时的评估失败,只使用成功的评估继续优化。

神经架构搜索

Mango还可以进行高效的神经架构搜索,例如搜索最佳的滤波器大小、数量等。

分类器选择与优化(CASH)

Mango提供了一个新功能,可以同时进行分类器选择和超参数优化。用户可以直接指定一组分类器及其不同的超参数空间,Mango会用最少的迭代次数找到最佳分类器和最优参数。

参与贡献

欢迎参与Mango的开发!可以查看开放的issues寻找贡献机会。如果有任何问题,也可以创建issue进行提问。

总结

Mango是一个功能强大、易于使用的超参数优化库。它支持复杂搜索空间的并行优化,具有高度的灵活性和可扩展性。无论是用于科研还是生产环境,Mango都是一个值得尝试的优秀工具。希望本文能帮助读者了解Mango的主要特性和用法,开始使用Mango来优化你的机器学习模型!